構架在OBD系統的遠程汽車監測新方案

農 偉，侯俊丞，胡睿南

(西安電子科技大學通信工程學院，陜西西安 710126)

車聯網，是指裝載在車輛上的電子標簽通過無線射頻等識別技術，實現在信息網絡平臺上對所有車輛的屬性信息和靜、動態信息進行提取和有效利用，并根據不同的功能需求對所有車輛的運行狀態進行有效的監管和提供綜合服務。

車聯網的概念在20世紀60年代已經先后出現在美國、歐洲與日本等發達國家和地區，并先后發展起ITS、IVHS［1］、RTI、VICS［2］等車聯網系統［3］。在國內，全國第四屆GPS運營商大會，車聯網的概念被首次提出，得到廣大專業人士的認同;在無錫舉行的中國國際物聯網大會上，國家將車聯網列為我國重大專項第三專項中的重要項目，中國的車聯網由此起步。到現今，一些供應商所提供的車載系統中，已經基本實現智能導航、保養預約、咨詢查詢等功能，更方便車輛出行，在一定程度上提高了駕駛體驗。

車聯網的發展除了能提供用戶更好的駕駛體驗，同時也應可以為汽車廠商或4S店等機構提供強大的后臺數據反饋服務。這對他們的業務拓展以及服務延伸也是有意義的。有力的數據反饋能對車輛的突發異常狀況有及時的響應，對分析車輛的維修質量提供依據;歷史性的數據可以為特定的車種提供有針對性和個性化的維修保養服務。

論文提供了一個具備實時車況信息監聽，車況異常報警以及行車數據記錄等強大后臺數據反饋功能的解決方案，即車載系統采集到車輛狀況信息后將其上傳至服務器，管理員可以登錄本方案系統的信息中心，使用車況遠程監聽，異常情況遠程抓獲及車輛行車日志等功能廣泛收集行車數據。通過對數據的主動分析，汽車廠商不但能為車主提供更高質量、更主動的車輛維護服務，并且可以明確掌握某款、某系列汽車的運行狀況，這對車種的改進及優化都有明顯的貢獻，同時可以提高汽車廠商的生產效率，減少車輛的維護成本。

1 方案的框架分析

方案實現框架圖，如圖1所示。整個系統是由兩個服務器/客戶端(C/S)架構子網構成，車載系統與服務器構成通過GPRS網絡構成車/服信息交互網;信息中心與服務器通過包括符合TCP/IP協議的多元網絡組成信息交互網。鑒于開放網絡欠缺安全性，兩個子網絡的信息交互使用加密的通信方案，保證通信數據的基本安全。

圖1 方案實現框架圖

2 方案的主要功能模塊定義

2.1 車載系統功能定義

(1)作為反饋數據的來源，是信息中心進行上層服務所需基本數據的主要提供者，與OBD系統進行信息交互，實時獲取汽車的最新狀態信息。

(2)接受來自數據服務器的任務請求，被動進行特定汽車狀態信息的數據反饋。

(3)根據設置以及故障定義法則，當檢測出汽車系統發生異常時，把汽車異常信息及時主動地反饋到數據服務器。

(4)汽車行程信息實時記錄的直接執行者，并定時向數據服務器上傳行程記錄，與數據服務器互相結合成為汽車行程記錄的完整系統。汽車行程記錄暫存于車載系統本地Flash區，Flash區的儲存空間比較大，并有掉電保持功能，可以充當黑盒子作用，當汽車發生意外來不及上傳異常情報時，依然可以把意外發生時的最新情報及時保存。

(5)支持通信加密，密鑰交換等安全的相關機制。

2.2 數據服務器功能定義

(1)作為反饋數據共享者的核心角色。接收到的大量反饋數據提供結構化的數據存儲。結構化的數據便于二次數據加工，并適合與不同意義數據的邏輯存儲隔離。實現遠程數據庫服務器的功能。

(2)接受來自遠程信息中心的數據訪問，正確地執行來自信息中心的任務請求以及接受來自信息中心對車載系統節點進行數據訪問的委托，委托機制能通過Cache機制，提高對信息中心請求的響應速度。

(3)接受來自車載系統節點信息，并根據一定的法則使用接受到的信息對數據庫數據進行更新。并且代理完成來自信息中心委托對車載系統節點進行數據訪問的任務。

(4)對信息中心以及車載系統節點提供認證服務，并提供數據訪問控制等安全機制。

(5)支持通信加密，密鑰交換等安全相關的機制。

2.3 信息中心功能定義

(1)作為對反饋數據進行深度應用的主要角色。對數據服務器進行合法訪問，并經過解析把數據轉換成對管理員有意義的信息，包括車輛故障信息、車輛運行參數等。使用數據本地加工分析可以使通信采用濃縮了大量信息的代碼通信，從而減少網絡數據通信量，并減輕數據庫的運算負擔。

(2)提供信息中心的管理員對數據服務器進行遠程合法操作的接口，包括獲取信息請求、記錄操作請求、登錄認證、任務委托等基本應用接口，并通過軟件抽象出遠程汽車車況監聽，遠程車況異常及時響應等宏觀應用層的功能。

(3)支持通信加密，密鑰交換等安全相關的機制。

3 方案可行性分析

3.1 車載系統方案實現可行性分析

車載診斷電路(On－Board Diagnostics，OBD)，它能夠獲取控制汽車的內部參數狀態。OBD最初作為一種控制汽車排放的排量監視器，通過檢測發動機狀態和尾氣中污染物的含量，提示駕駛員對車輛進行維護，后來逐步發展成一套完善的汽車綜合監控系統。如果廠商實現了OBD標準中所有的PID功能，OBD可以提供胎壓、空氣流量、踏板位置等多方面的信息。

由于OBD系統無法通知用戶錯誤的原因，需要把檢測到的OBD數據發送給遠程的廠商進行分析，然后再把信息反饋給用戶。

通過OBD系統可以對汽車的狀況有一個全面了解。標準的OBD提供了9種服務。

表1 標準OBD提供的服務

主要通過Mode1獲取汽車當前的狀態參數，比如胎壓、電瓶電壓、發動機轉速、車速等。通過Mode3獲取當前發生的故障碼，通過Mode2返回與故障碼相關的凍結幀。通過Mode7找到可能在以后會發生的錯誤碼［4］。

OBD協議支持多種物理，采用29 bit擴展CAN總線。OBD有4種通信楨，這4種通信幀在CAN協議上的實現如圖2所示，圖2(a)為點對點通信的格式，圖2(b)為廣播通信格式［4］。

圖2 OBD 4種通信幀

采用ELM327作為與OBD通信的協議翻譯器，該芯片支持ISO15764協議和對應的CAN總線物理層，ISO9141、ISO14230協議和對應的 K－line物理層，SAEJ1850協議和對應的PWM＆VPW物理層，將其轉換為標準串口協議［5］。使用ELM327可以提高通用性。采用 SIM300作為 GPRS通信模塊，采用STM32F103RB作為車載端的主控芯片，128 kB的Flash可以滿足故障信息存儲的需要。

圖3 車載系統框架圖

3.2 服務器方案可行性分析

圖4 服務器框架圖

(1)數據服務器的網絡通信采用標準的TCP/IP協議，數據傳送采用面向連接的TCP模式。由于TCP/IP協議的廣泛應用，絕大部分的網絡設備都支持基于TCP/IP協議的網絡傳輸，通信媒介不限于有線和無線。在軟件層上，操作系統把對各種網絡設備的數據通信抽象成Socket類，在軟件編程上可以通過使用Socket類統一規范的接口操作數據服務器上的網絡設備進行多元網絡信息交互。

(2)數據服務器采用OLEDB技術，OLEDB把對多元數據庫的操作抽象成統一規范的應用層接口，在軟件編程上可以通過使用OLEDB類對數據庫進行簡單而規范化的數據操作，包括數據結構化存儲、數據查詢、數據更新等。

(3)數據服務器采用多線程(Multithreaded)的信息處理機制，多線程的信息處理技術，提高服務器對遠程訪問的實時響應性。對用于多用戶的數據服務器系統，還可以通過多線程來技術來進行不同用戶的信息處理的邏輯獨立，讓單個用戶服務產生異常的情況下以最小的程度影響其他用戶，保證了服務器的健壯性。

3.3 信息中心方案可行性分析

圖5 信息中心框架圖

(1)信息中心同樣采用標準TCP/IP協議進行網絡通信，軟件編程上使用Socket類統一規范網絡設備進行與數據服務器的網絡通信，在TCP模式下進行的信息交互，使信息完整性有協議上的保障。

(2)使用外掛的數據解釋庫，對獲取數據進行加工分析，便于軟件的固件升級。

(3)事件機制來處理來自操作員的命令，提高軟件對人機交互的實時響應速度。

4 仿真驗證

4.1 車載端仿真

車載端可通過OBD獲取車輛信息并上傳至服務器。

4.2 服務器仿真

在服務器端可保存有車輛信息和車主信息。配置好網絡后，服務器可與信息中心互聯，從而達到信息互傳的目的。

圖6 服務器端界面

4.3 信息中心仿真

管理員可通過登錄信息中心查詢車輛信息，如圖7所示;進行故障處理，如圖8所示;在線監測，如圖9所示;設置監聽項，如圖10所示等。

通過多項查詢、監聽項目，可以及時了解到車輛的狀況并對其作出處理。

5 結束語

隨著汽車使用的普及，做好汽車服務更是當下的重點。車載系統在客戶服務方面將會逐步完善、人性化，但對作為車聯網重要角色之一的汽車廠商的服務卻仍未見起始。因此，方案的提出主要是面向汽車廠商，形成一個為汽車廠商服務的雛形，為如今國內剛起步的車聯網的建設提供一個參考。在這基礎上，各大廠商可與各運營商等形成一定的合作關系，完善汽車廠商的服務工作，共同促進車聯網的建設。

圖10 自定義監聽

［1］中國自動化儀表網.美國決定采用“智能車輛公路系統”(IVHS)技術［J/OL］.(2007－01－30)［2010－10－11］www.ca18.net/news/content－38403.htm

［2］路人@行者.智能交通VICS帶給日本安全與舒暢［J/OL］.(2009 －12 －05)［2010 －10 －15］www.blog.163.com

［3］李松，王齡.發達國家IVHS研究與發展［J］.國外公路，1998(4):19－22.

［4］International Organization for Standardization.ISO15765 － 3 Implementation of unified diagnostic services(UDS on CAN)［C］.ISO15765Road Vehicles－ Diagnostics on Controller Area Networks(CAN)，2004:1 －36.

［5］Elm Electronics.Reference of ELM327(the OBD TO RS232 interpreter)［M］.Olando，MA:ELM Electronics，2010.